Emme ehkä ajattele niitä paljon, mutta antenneja on kaikkialla. Puhelimissamme, autoissamme, ostamiemme vaatteiden varkaudenestolappuissa ja kun esineiden Internetistä tulee yhä nykyisempää todellisuutta, ne näkyvät uusissa paikoissa, kuten mikroaaltouunit ja lamput. Siksi insinöörit ovat etsineet menetelmiä, joilla antenneista voidaan tehdä pienempiä, kevyempiä ja helppokäyttöisempiä.
Nyt Drexelin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jolla luodaan melkein näkymättömät antennit melkein mille tahansa pinnalle suihkuttamalla niitä kirjaimellisesti maalille. Antennit on valmistettu erityisestä kaksiulotteisesta metallimateriaalista, nimeltään MXene. MXene-jauhe voidaan liuottaa veteen maalin muodostamiseksi, joka sitten sivellään pinnalle. Testeissä jopa ohut, vain 62 nanometrin kerros - tuhansia kertoja ohuempi kuin paperiarkki - voisi kommunikoida tehokkaasti. Suorituskyky saavutettiin vain 8 mikronilla, pisteessä, jossa ruiskutettavat antennit toimivat yhtä hyvin kuin ne, joita nykyisin käytetään mobiililaitteissa ja langattomissa reitittimissä.
Antennit ovat niin ohuita, että ne voidaan ruiskuttaa lisäämättä painoa tai massaa, jopa pieniin laitteisiin, kuten lääketieteellisiin antureihin. Ja ne ovat myös joustavia, mikä tarkoittaa, että ne voivat kulkea ei-tasaisilla pinnoilla, kuten verhot. Tutkijoiden mukaan antennit voisivat tehdä valtavia parannuksia langattomiin laitteisiin ja esineiden internetiin, varsinkin kun kyse on puettavista esineistä - voit jopa ruiskuttaa antennin sukkiin seurataksesi niitä.
"Tämä mahdollistaa todella langattoman tiedonsiirron minkä tahansa esineen kanssa", sanoo tutkimusta johtanut materiaalitieteen ja tekniikan professori Yury Gogotsi. "Tällä voi olla todellinen vaikutus, koska olemme menossa kohti maailmaa, jossa kaikki on kytketty toisiinsa."
Kuvittele, että pystyt asettamaan antennin heti mihin tahansa omistamaasi esineeseen ja tekemään siitä viestintälaitteen. Voit laittaa antennin koiran kaulukseen, jotta hän ei eksy. Aseta yksi jääkaapillesi, jotta se voi kommunikoida puhelimiesi kanssa. Laita ne tennispalloihisi seurataksesi tarjoilusi nopeutta.
Tutkimus julkaistiin äskettäin Science Advances -lehdessä.
Drexelin tutkijat löysivät vuonna 2011 kaksiulotteisen titaanikarbidimateriaalin MXene, joka patentoitiin vuonna 2015. Erittäin vahva ja johtava, sen on osoitettu käyttävän energiaa varastoivissa laitteissa, kuten akkuelektrodit, jotka voivat ladata puhelimia sekunneissa; sähkömagneettisten häiriöiden estäminen laitteiden välillä; havaitsemalla ilmassa vaarallisia kemikaaleja ja paljon muuta. Tutkimuksessa MXene-antennit toimivat 50 kertaa paremmin kuin grafeenista, nykyisestä "kuumasta" nanomateriaalista valmistetut.
Toisin kuin muut nanomateriaalit, MXene ei vaadi sideaineita tai lämmitystä nanohiukkasten tarttumiseen yhteen. Tarvitsee vain sekoittaa veden kanssa ja ruiskuttaa ilmaharjalla. Tuloksena olevat antennit voivat toimia jopa liikkuvissa ja taipuisissa materiaaleissa, kuten tekstiileissä, vaikkakin ne vaikuttavat vastaanottoon, samalla tavalla kuin antennin siirtäminen vanhassa televisiossa.
Antennien suihkuttaminen on ”mielenkiintoinen lähestymistapa”, sanoo Buffalon yliopiston sähkötekniikan professori Josep Jornet, joka työskentelee viestintäverkoissa ja esineiden Internetissä.
Suurin osa ohuiden joustavien antennien tutkimuksesta on liittynyt tulostamiseen, Jornet sanoo. Ruiskuttamisella on kuitenkin mahdollisuus olla nopeampi.
Mutta vaikka antennin suorituskyky paperissa esitetyllä tavalla on "erittäin hyvä", Jornet sanoo, "antenni ei sinänsä ole mitään muuta kuin pala metallia."
Jotta antennit olisivat mahdollisimman hyödyllisiä, hän selittää, ne yhdistetään joustavan elektroniikan tyyppeihin - ajattele joustavia puhelimia tai roll-up-tabletteja - joita ei vielä ole. Monet tutkijat työskentelevät tässä, mutta sen ei ole vielä toteutunut.
Drexel-ryhmä testasi sumutettavat antennit karkealle materiaalille, selluloosapaperille ja sileälle, polyeteenitereftalaattilevyille. He aikovat nyt testata sitä muilla pinnoilla, mukaan lukien lasi, lanka ja iho - lanka-antennit voisivat tehdä liitetyille tekstiileille, kun taas iholla voisi olla sovelluksia eläinlääketieteeseen tai ihmislääketieteeseen. He toivovat tekevänsä yhteistyötä sijoittajien tai kaupallisten kumppaneiden kanssa, jotka ovat kiinnostuneita kehittämään tuotteita, joista voisi olla hyötyä antenneista.
Vaikka antenneja voidaan käyttää suoraan iholle ruiskutettavissa puitteissa tai terveysmittareissa, Gogotsi suosittelee varovaisuutta, koska MXeneellä on vain vähän kokemuksia siitä, että niitä käytetään ihmisissä.
"Olemme aina huolestuneita uusista materiaaleista", hän sanoo. ”Onko se biologisesti yhteensopiva? Onko olemassa pitkäaikaisia seurauksia? Ehdotan, että meidän pitäisi odottaa ennen kuin laitat sen suoraan iholle. "
Ryhmä etsii myös, miten materiaalia voidaan optimoida johtavuuden ja lujuuden suhteen, tekemällä siitä mahdollisesti entistä ohuempi ja helpompi ruiskuttaa tarkempiin muotoihin, samoin kuin sen avulla se toimisi eri taajuuksilla.
”Parantamisen varaa on paljon”, Gogotsi sanoo. "Ensimmäinen ei ole koskaan paras."
